柳塔煤矿水文地质条件勘查及水害应对

解国强

(国能神东煤炭集团地测公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

柳塔煤矿一盘区2-2号煤层首采面(22101工作面)计划2020年回采，一盘区存在母花海子古冲沟和1-2号煤层房采采空区，其中母花海子古冲沟松散层含水层较厚，需进一步查明该古冲沟松散层的水文地质条件，1-2号煤层房柱式采空区位置不确定，积水情况不详，需进一步查明，为2-2号煤层工作面安全开采提供防治水方面的技术依据。为了解决上述水文地质问题，决定在母花海子古冲沟和1-2号煤层房柱式采空区进行水文地质勘探，工程自2019年9月26日开始施工，2019年11月10日结束，共施工钻孔5个，总进尺466.38 m。

1 工程布置及工程质量

1.1 工程布置

根据工程目的，在柳塔煤矿工业广场以东约300 m的位置，母花海子古冲沟中上游布置一个水文观测孔，孔号为SW14；在柳塔煤矿一盘区22101工作面中间位置和母花海子古冲沟下游交汇处布置一个水文观测孔，孔号为SW15；在柳塔煤矿一盘区22102工作面中间位置，1-2号煤层房采采空区底板较低的巷道上布置1个水文观测孔，孔号为SW16；在柳塔煤矿工业广场东北方向，1-2号煤层房采采空区底板较低的巷道上布置1个水文观测孔，孔号为SW17。水文地质补勘工程共施工5个水位观测孔，总进尺466.38 m。5个钻孔中SW14、SW15号孔为松散层水位观测孔，SW16、SW17号孔为1-2号煤层采空区水位观测孔。由于柳塔煤矿1-2号煤层采空区为房柱式开采采空区，开采时间较长，其巷道布置情况不明，SW16号孔没有和巷道贯通，沿巷道移动2 m施工的SW16-1号孔与巷道贯通。SW17号孔和巷道贯通。

1.2 工程质量评述

补勘手段以钻探为主，辅以工程测量、取芯、抽水试验及水样化验。

水文观测孔钻探：所有施工钻孔按设计坐标用全球卫星定位实时动态观测系统(RTK)方法测定孔位。开孔前，由地质员做出钻孔设计书，对钻孔质量、煤岩芯采取率和设计目的等作出具体要求，按设计施工，工程质量达到设计要求。

工程测量：工程测量采用全球卫星定位实时动态观测系统(RTK)方法测定。仪器采用美国天宝R8接收机，GPS数据处理采用美国天宝公司提供软件 TGO1.62解算。完成工程量5个点。

抽水试验：抽水试验质量执行《煤炭地质勘查钻孔质量标准》(MT/T 1042—2007)[1]和《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》(MT/T 1091—2008)[2]，2个松散层水文观测孔做抽水试验。按潜水完整井稳定流进行抽水，观测水位及流量，达到设计要求。

2 补勘区地质

2.1 地质

本次补勘区域为风积沙地貌，地表植被发育，地形起伏大，地势由东向西逐渐降低，地表标高+1 230～+1 278 m，最大落差48 m。补勘区有母花海子古冲沟，此处为柳塔矿生活用水水源地。本次补勘揭露的地层有第四系全新统(Q4)、侏罗系中统直罗组(J2z)以及侏罗系中统延安组(J1-2y)的第四、五段。

第四系全新统(Q4)：根据补勘区以往钻孔资料统计，补勘区第四系松散层以风积沙为主，厚28.32～83.12 m，平均52.22 m，由古冲沟内向两侧逐渐变薄，古冲沟内上游向下游逐渐变厚。松散层底部局部有砾石层，厚0.27～0.53 m。

侏罗系中统直罗组(J2z)：根据补勘区以往钻孔资料统计，直罗组岩性以细粉砂岩及砂质泥岩为主，局部剥蚀殆尽，厚0～37.74 m，平均15.94 m，风化程度属中-弱风化，岩性结构较完整，局部顶部为强风化，胶结松散。

2-2号煤层上覆基岩：根据补勘区以往钻孔资料统计分析，补勘区2-2号煤层上覆基岩厚度66.91～110.10 m，平均79.82 m，母花海子古冲沟受冲刷剥蚀下切深度较深，整体基岩厚度变薄，沟谷两侧、沟头厚度逐渐增大。

2.2 补勘区构造

补勘区地层产状平缓与井田产状一致，总体构造形态为走向NNW，倾向SWW，倾角1°～3°的单斜构造。区内未发现岩浆活动。补勘区构造属简单类。

2.3 煤层

补勘区内具对比意义的可采煤层有8层，分别是1-2上、1-2、2-2、3-1上、3-1、4-2上、5-1、5-3号煤层，本次补勘仅涉及到1-2、2-2号煤层。

1-2号煤层位于延安组第五段1号煤组中部，为补勘区内主要可采煤层，有10个见煤点，9个点可采，可采性指数0.9，变异系数52%，煤层厚度0.69～7.01 m，平均厚度3.68 m，煤层厚度有一定变化，规律明显，东北部局部变薄至不可采，煤层结构较复杂，个别煤层含一层夹矸，整个煤层对比可靠。综合判定为较稳定煤层。该煤层补勘区内大部已开采。

2-2号煤层位于延安组第四段2号煤组中部，上距1-2号煤层平均25.42 m，为补勘区内主要可采煤层，有10个见煤点，全部可采，可采性指数1，变异系数36%，煤层厚度1.18～3.24 m，平均厚度2.22 m，煤层厚度有一定变化，规律明显，煤层结构较复杂，含一层夹矸，整个煤层对比可靠。综合判定为较稳定煤层。

3 补勘区水文地质

水文地质补勘目的是对母花海子古冲沟松散层含水层进行抽水试验，求取水文地质参数。以下叙述内容只涉及松散层含水层及直罗组、延安组顶部隔水层。

3.1 含水层

补勘区以往勘查中有ZK3509、SW3号孔做过松散层抽水试验，此次水文地质补勘中SW14、SW15号孔做了松散层含水层抽水试验。根据抽水试验结果判断补勘区内母花海子古冲沟含水层为第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层，沙层广覆地表，结构松散、地形地貌极易接受大气降水补给，岩性以黄褐色细砂、粉砂为主，底部局部含砂砾，结构疏松，汇水面积大，补给条件好，下伏一般有隔水的砂质泥岩、粉砂岩等基岩，故地下水赋存条件较好。

3.2 隔水层

以1-2号煤层以上第四系以下的第1隔水层分布最广，一般厚度34.48～83 m，平均厚度52.41 m。其中分布数层的泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，是较稳定的隔水层。

3.3 矿井充水因素

3.3.1 充水水源

根据本区水文地质条件及煤层覆岩结构类型，矿井充水方式有直接和间接2种[3-7]。它们分别受大气降水、地表水和地下水等因素的控制，且具有一定的水力联系，对矿井生产均有不同程度的影响。

间接充水水源：大气降水、地表水入渗后先补给松散层含水层，再通过含水层进入井下，故大气降水、地表水为间接充水水源[8-11]。只有在冒落带或冒裂带发育高度达到地表时，大气降水及地表水可成为直接充水水源。①大气降水——根据2017—2019年气象资料，每年降水量多集中在7、8、9这3个月，年降水量为399.29～725.20 mm，平均为449.80 mm；由于本区煤层埋深较大，大气降水直接进入井下采空区的可能性很小，为间接充水水源。②地表水——补勘区内没有地表水。

直接充水水源：根据柳塔煤矿地质与水文地质条件，第四系松散层孔隙潜水、煤层顶板砂岩孔隙-裂隙水及1-2号煤层采空区积水是矿井主要的直接充水水源。①第四系松散层孔隙潜水——主要是上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层。补勘区母花海子古冲沟沟谷基岩薄，部分1-2号煤层采空区的导水裂隙带与第四系含水层沟通。因此，第四系孔隙潜水成为矿井的主要充水水源之一。②基岩孔隙——裂隙含水层。矿井主采煤层均位于侏罗系延安组地层中，延安组砂岩类孔隙-裂隙含水层(J1-2y)为煤层开采直接充水水源，据柳塔矿勘探地质报告该含水层为弱含水层。③1-2号煤层采空区积水——补勘区1-2号煤层可采区大部开采完毕，EⅡ308—EⅡ311采空区导水裂隙带导通了第四系松散层含水层，22101工作面在此区域施工探放水钻孔3个，和1-2号煤层采空区贯通，出水量约100 m3/h。此次补勘施工的1-2号煤层采空区(两块独立的)水文观测孔SW16-1、SW17号钻孔，与采空区贯通，经观测没有水，判断此房采采空区顶板没有垮落，没有形成导水裂隙带。开采2-2号煤层时，1-2号煤层采空区积水会通过采动裂隙进入2-2号煤层矿坑。因此，1-2号煤层采空区积水是直接充水水源。

3.3.2 充水通道

区内充水通道主要是煤层开采形成的冒落带和导水裂隙带，其次为断层裂隙、封闭不良钻孔。1-2号煤层开采后，其冒落带和导水裂隙带与第四系松散层含水层沟通，引起该含水层的水及大气降水沿裂隙涌入井下，将来2-2号煤层开采后冒落带和导水裂隙带与1-2号煤层采空区沟通，引起采空区水涌入井下。

冒落带和导水裂隙带高度的计算：煤层上覆基岩岩性以细粒砂岩、粉砂岩为主，次为中粒砂岩及泥岩，呈互层结构体。砂岩多为泥质胶结，部分层段为钙质胶结。根据柳塔煤矿勘探地质报告描述砂岩、粉砂岩、泥岩岩样饱和极限抗压强度平均值均在40 MPa以下，大多为20～30 MPa，属于中硬岩类，所以选取原国家煤炭工业局2000年颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中推荐的中硬岩类冒落带、导水裂隙带最大高度及保护层厚度的计算公式，得到2-2号煤层最大冒落带与导水裂隙带计算结果，见表1。可看出，以2-2号煤层平均采高2.22 m计算，本区2-2号煤层开采后冒落带高度为9.74 m，加保护层为16.40 m。导水裂隙带最大高度为39.80 m，加保护层为46.46 m。计算得出的导水裂隙带高度均小于2-2号煤层上覆基岩厚度，但是大于1-2和2-2号煤层的层间距厚度，因此2-2号煤层开采时受松散层含水层威胁较小，局部受采空区积水影响较大，甚至发生突水事故。应提前做好1-2号煤层采空区疏放水工作。

表1 2-2号煤层冒落带与导水裂隙带计算结果Table 1 Calculation results of caving zone and water-conducting fracture zone of No.2-2 coal seam

断层裂隙：目前2-2号煤层巷道掘进时揭露的断层有30条，断距最小0.3 m，最大7.2 m，断层带宽0.01～0.02 m，断层面整齐，没有填充物，裂隙不发育。断层裂隙是矿井的重要充水通道，生产中严格执行防治水规定，做到“先探后掘，边探边掘”，加强工作面排水及通风能力[12]。

封闭不良钻孔：补勘区内有5个水文观测孔和2个水源井。这些钻孔部分基岩以上或沙层以上层段均未封闭。ZK3709号钻孔在孔深98 m处有止水托盘遗留，钻具底部在1-2上号煤层底板处。ZK3334号钻孔在孔深240.69～245.58 m层段有钻具遗留，钻具顶部在5-2号煤层底板下4 m处。补勘区内以往的补勘钻孔都按照设计要求进行了封孔，据《柳塔矿勘探地质报告》对个别钻孔做了透孔检查，取上来的灰芯的抗压强度达到了规范要求，但孔内部分空段的水泥凝固不好，有的孔段没有水泥。因此，封闭不良钻孔是矿井一个重要的充水通道。采掘中应予以高度重视。

3.4 水文地质勘探类型

补勘区内主要含水层为第四系上更新统萨拉乌苏组粉细砂孔隙潜水含水层，单位涌水量0.003～0.415 L/(m·s)，富水性弱-中。母花海子古冲沟含水层经导水裂隙带与1-2号煤层采空区沟通，因此2-2号煤层开采时受1-2号煤层采空区积水影响较大，据此将补勘区2-2号煤层水文地质勘探类型确定为一类三型，即以孔隙-裂隙充水为主的水文地质条件复杂的矿床。

3.5 存在的问题及应对

据补勘区以往勘探的钻孔资料，没有明确显示母花海子古冲沟第四系松散含水层底部发育粘土层，含水层厚度一般为19.2～28.99 m，含水层富水性中等。建议回采前根据抽水试验所得水文参数计算工作面最大涌水量，并配备相应的排水设备，并对第四系松散含水层进行疏放水工作。22101工作面上部存在走向长臂式开采采空区，前期已经施工了3个钻孔，和1-2号煤层采空区贯通，出水量约100 m3/h，建议加大1-2号煤层采空区疏放水力度，以保证安全回采。补勘区内有5个水文观测孔和2个水源井。这些钻孔部分基岩以上或沙层以上层段均未封闭。ZK3709、ZK3343号孔封闭不良，有钻具遗留。补勘区内以往的补勘钻孔都按照设计要求进行了封孔，据《柳塔矿勘探地质报告》个别钻孔做了透孔检查，取上来的灰芯的抗压强度达到了规范要求，但孔内部分孔段的水泥凝固不好，有的孔段没有水泥。若工作面采掘范围内存在上述钻孔，建议提前制定过钻孔措施，加强工作面排水能力，防止钻孔导水发生事故。建议对水文孔进行长期观测，分析水位变化规律，作为指导矿井生产的水文地质依据。

4 结论

(1)根据补勘区以往钻孔资料统计，补勘区第四系松散层以风积沙为主，厚28.59～83.12 m，由古冲沟内向两侧逐渐变薄，古冲沟内上游向下游逐渐变厚。松散层底部局部有砾石层，厚0.27～0.53 m。

(2)施工的1-2号煤层采空区(两块独立的)水文观测孔SW16-1、SW17号钻孔，与采空区贯通，经观测无水。